En el capítol sis es defineixen i es descriuen les principals operacions unitàries físiques de depuració i els processos unitaris químics o biològics de depuració més destacables. A causa del caràcter bàsic daquesta obra, lestudi de les diferents operacions i processos es fa atenent a la seua aplicació i a la descripció pràctica del seu funcionament. La complexitat necessària per a lestudi del disseny dels aparells que es requereixen en les diferents operacions i processos queda fora de labast daquesta obra, però es poden estudiar adequadament en lextensa bibliografia específica disponible.
Els índexs de qualitat ambiental, ja siguen de laigua, de laire o del sòl, representen una eina relativament nova per descriure duna forma estàndard, senzilla i universal lestat ecològic dels medis. En lúltim capítol del llibre es descriuen i sanalitzen alguns dels principals índexs de qualitat que sutilitzen per determinar la qualitat dun medi.
1. Conceptes generals
1.1 Quina és la funció de lenginyeria ambiental?
La titulació i la professió denginyer ambiental han aparegut en làmbit internacional molt recentment dècada dels 70 del segle xx a partir, en algunes universitats, de la reorientació i lespecialització dels estudis denginyeria sanitària, i en daltres a partir de lenginyeria química. Aquesta joventut en làmbit acadèmic no significa que no shagen adoptat solucions tecnològiques en els problemes ambientals des de lantiguitat.
Els orígens dallò que grosso modo es pot anomenar enginyeria ambiental es remunten a lantiguitat clàssica. La cultura grega fou la primera a relacionar de forma empírica la manca dhigiene amb la proliferació de malalties. Aquesta constatació, junt amb el desenvolupament tecnològic dut a terme per la civilització romana posteriorment, féu possible lexistència de ciutats de grans dimensions durant el domini romà. Així, la ciutat de Roma assolí al començament de la nostra era una població propera al milió dhabitants. Una concentració urbana daquestes dimensions només és possible amb un sistema dinfraestructures que proporcione aigua fresca a la metròpoli i transporte fora de la ciutat els residus generats. El govern romà nera conscient, de forma que tota una xarxa de conduccions i aqüeductes transportaven aigua de forma contínua a Roma, on es distribuïa a la multitud de fonts i banys públics al servei dels ciutadans. Laigua corrent arribava fins i tot als habitatges de laristocràcia. Per altra banda, la ciutat disposava duna xarxa de clavegueres que transportaven els residus generats fins al Tíber.
Amb la caiguda de lImperi romà es va produir al món occidental un declivi de la salut pública que es va perllongar fins ben entrat el segle xix. Lelit dirigent no percebia com a responsabilitat pròpia el manteniment de les instal·lacions adequades. A les ciutats de lEuropa medieval les aigües residuals i els residus sòlids eren abocats directament al carrer. Aquesta situació dinsalubritat impulsà la propagació de malalties, que assoliren nivells descomunals al segle xiv amb les epidèmies de pesta que arrasaren tot el món occidental. Malgrat els grans avanços mèdics en anatomia i en cirurgia al llarg del Renaixement, la conjuntura en qüestions de salut pública es mantingué més o menys inalterable.
Laparició de grans aglomeracions humanes al voltant dels centres de producció, com a conseqüència del desenvolupament de la revolució industrial, donà lloc a una situació insostenible: encara en ple segle xix els residus domèstics, líquids i sòlids, eren abocats al carrer, on es podrien i es dispersaven. En front daquesta adversitat, al Regne Unit es duen a terme alguns estudis amb la finalitat de trobar solucions als greus problemes de salut de lèpoca. En aquest sentit, cal subratllar que el problema es considerava econòmic, pels efectes sobre la producció industrial, més que social. Cal tenir en compte el context històric: en una època en la qual la doctrina del laissez faire del capitalisme salvatge sentén gairebé com una llei natural, les institucions encara no han adquirit la responsabilitat en els problemes de salut pública.
Un punt dinflexió de gran importància respecte a la salut pública és linforme de Sir E. Chadwick de 1842, Enquiry into the Sanitary Condition of the Labouring Population of Great Britain. Entre les conclusions daquest document destaca la importància de buscar lajut de la ciència de lenginyer, no del metge. Entre les solucions que lenginyeria pot aportar a la salut pública, segons aquest informe, destaquen:
Equipar cada allotjament amb aigua potable.
Eliminar laigua residual dels habitatges i recollir-la mitjançant una xarxa de clavegueres.
Transportar als terrenys agrícoles els residus recollits als centres urbans.
El reconeixement de la importància de lenginyeria en la salut pública fa que sorgisca de lenginyeria civil una disciplina que es consolidarà a partir daquestes dates: lenginyeria sanitària. En un principi la seua funció era simplement la de transport de materials: transport daigua de subministrament a les ciutats i evacuació dels residus i de les aigües residuals urbanes. Amb el creixement industrial i laugment de les aglomeracions urbanes es fan necessaris uns tractaments més complexos que tenen els fonaments en lenginyeria química.
En definitiva, es pot dir que lenginyeria ambiental és una disciplina moderna amb un caràcter marcadament multidisciplinari que es recolza fonamentalment en lenginyeria civil i lenginyeria química i que necessita per al seu desenvolupament el coneixement que proporcionen els camps de les ciències bàsiques de la química, la física, la biologia i leconomia.
Lactivitat humana es pot considerar, de forma simplificada, com un procés que es proveeix de recursos naturals i genera materials manipulats que tornen al medi en forma de residus (figura 1.1). Resulta clar que aquest esquema no produeix problemes ambientals si lescala de lacció humana és negligible en comparació amb lescala del medi: en una societat primitiva la utilització de recursos naturals és infinitament petita enfront del total disponible i els residus produïts són absorbits pel medi de forma que els efectes hi queden totalment diluïts o shi integren mitjançant lacció de processos naturals.
El problema sorgeix quan la magnitud de lescala de lactivitat humana és del mateix ordre que la grandària del medi que la sosté conseqüència de laugment de la població i de lactivitat per càpita de les societats desenvolupades, de forma que es produeix una situació insostenible. En aquest context es pot definir lenginyeria ambiental com el camp de la tecnologia que té per objecte la concepció, el disseny i la implantació de solucions per minimitzar els efectes de les activitats humanes en el medi ambient. Aquestes solucions es materialitzen en forma de sistemes correctius o en estratègies de caràcter preventiu. Segons aquesta definició són possibles diverses alternatives per actuar sobre el sistema insostenible:
Reducció: de la fabricació de productes, de lús final de béns; implantació de tecnologies netes més eficients en lús de materials i de lenergia.
Recuperació (valorització): dels materials (reciclatge i reutilització); de lenergia (incineració, gasificació, compostatge).
Reducció: de la fabricació de productes, de lús final de béns; implantació de tecnologies netes més eficients en lús de materials i de lenergia.
Recuperació (valorització): dels materials (reciclatge i reutilització); de lenergia (incineració, gasificació, compostatge).
Tractament: minimització de la toxicitat i del perill de limpacte sobre el medi.
Eliminació: dipòsits de seguretat per a residus tòxics o perillosos, abocadors controlats per a residus domèstics.
En la taula 1.1 es mostren els principals àmbits de treball de lenginyeria ambiental per minimitzar els efectes de lactivitat humana en el medi ambient.
Lanàlisi o disseny dun procés ja siga de tractament, de recuperació o deliminació a escala industrial fa necessari un estudi detallat de les diferents etapes del procés, per la qual cosa cal aplicar els coneixements englobats en les següents denominacions:
Balanços de matèria i energia.
Operacions bàsiques.
Reactors químics i biològics.
Economia.
Els balanços de matèria i energia són essencialment aplicacions de les lleis de conservació de la matèria i de lenergia en el sistema de tractament o instal·lació.
Les operacions bàsiques (operacions físiques unitàries) engloben els processos de natura física que tenen lloc en una determinada planta o instal·lació. En aquestes operacions es produeix el transport de les propietats de matèria, denergia i de quantitat de moviment. Aquestes operacions es poden classificar segons el tipus de transport que controla el procés tal com es mostrarà més endavant en aquest capítol.
En el bloc de coneixement corresponent als reactors (que la bibliografia ambiental denomina processos unitaris biològics i químics) sestudien els sistemes en què intervenen reaccions químiques, encara que en ocasions poden ser controlades per processos físics com la difusió (com en un reactor biològic de suport sòlid). A més de conèixer la cinètica de la reacció sha de seleccionar el tipus de reactor on dur-la a terme, segons la reacció i el funcionament continu o discontinu del sistema.
Per últim, com en qualsevol altre camp de la tecnologia, el factor econòmic juga un paper fonamental en la selecció dalternatives en un determinat problema ambiental. No obstant això, cal tenir en compte que leconomia de la solució depèn, lògicament, de la dificultat i la importància del problema, la qual cosa no permet de generalitzar en termes quantitatius. Per exemple, el cost de tractament duna aigua residual varia sensiblement segons la natura i la concentració dels contaminants presents, de forma que es poden trobar diferències fins i tot en ordres de magnitud entre els tipus defluents de diferents orígens i naturalesa.
1.2 Exemple de sistema de tractament: estació depuradora daigües residuals
Per presentar els conceptes bàsics de lenginyeria ambiental es dóna tot seguit un exemple de sistema de tractament en què es presenta a partir dun cas concret el concepte doperació unitària, que es desenvoluparà en el següent apartat.
En la figura 1.2 sha representat lesquema duna estació depuradora daigües residuals urbanes. La selecció doperacions unitàries en cada etapa de depu-ració depèn de diversos factors, la qual cosa implica múltiples esquemes de tractament possibles. Cal insistir en el fet que es tracta dun exemple entre les infinites possibilitats disponibles.
El sistema de depuració produeix separacions i/o transformacions de components inicialment presents en laigua residual i produeix diverses línies de flux de matèria al llarg de la instal·lació. En el diagrama de flux de la figura 1.2 sha representat cada operació amb un rectangle. Aquests rectangles estan units per fletxes que indiquen el sentit de circulació dels materials de forma contínua duna etapa a laltra. A linterior de cada rectangle sindica el nom de la transformació que hi té lloc.
Abans danalitzar el diagrama de flux cal recordar que laigua residual de tipus domèstic té com a principals agents contaminats compostos orgànics que shi troben en suspensió, en dispersió col·loïdal i/o en dissolució, per la qual cosa sempra un reactor biològic. La resta doperacions són necessàries per condicionar laigua per tal que es puga desenvolupar la transformació biològica i per tractar el residu sòlid generat. (Pregunta per al lector: quin problema produeix la presència de matèria orgànica en laigua?)
La primera operació que es du a terme en entrar laigua en brut a lestació depuradora, segons es pot observar en el diagrama, és el desbast. Rep aquest nom loperació deliminació de sòlids gruixuts que poden fer malbé les instal·lacions de tractament. Consisteix a fer passar laigua residual a través denreixats i tamisos. Lenreixat consisteix en una sèrie de barres dacer verticals o inclinades, separades a distàncies iguals al llarg del canal per on circula laigua residual. En circular laigua entre les barres, els sòlids hi queden retinguts i són separats mitjançant una operació de neteja de forma manual o automàtica.
Al desarenador se separen partícules minerals amb un pes específic superior al dels sòlids orgànics com ara grava, arenes, etc. Leliminació daquests materials del corrent daigua residual permet protegir els elements mecànics mòbils de labrasió i del desgast, reduir la formació de pòsits de material pesant a linterior dels canals, de les canonades i de les conduccions, i reduir la freqüència de neteja dels digestors, requerida per lexcessiva acumulació darenes.
Les aigües residuals sempre porten una important quantitat de greixos i olis que cal eliminar ja que produeixen diversos problemes durant el procés de tractament daquestes: provoquen obstruccions de sistemes mecànics; en tractar-se de compostos orgànics, incrementen les necessitats del tractament biològic; redueixen el coeficient de transferència doxigen als processos biològics; pertorben la posterior separació de fangs, i dificulten el procés de digestió daquests darrers. El desgreixament se sol dur a terme mitjançant la introducció daire en el corrent daigua per tal dafavorir el trencament de la dispersió, de forma que les partícules de greix es desplacen a la superfície de laigua per la seua menor densitat. També es possible eliminar els greixos en la sedimentació primària, on no cal emprar aire atès que lelevat temps de retenció de laigua en el clarificador primari possibilita la deposició superficial del greix.
Aquest conjunt doperacions rep el nom de pretractament, lobjectiu principal del qual és condicionar laigua mitjançant leliminació dels materials que podrien causar problemes en les instal·lacions del tractament posterior.
A continuació se sotmet laigua al tractament primari. En lexemple considerat consisteix en una decantació o sedimentació primària amb la qual se separen els sòlids en suspensió sedimentables del corrent daigua (al voltant del 60% del total de sòlids), per a la qual cosa es redueix la velocitat de pas de laigua. En sedimentar aquest material, malgrat que la major part és de caràcter mineral, arrossega i adsorbeix en la caiguda certa quantitat de matèria orgànica.